【正文】 0. 1C 130. 19VG N DC 1210 00 UC 1047 0UC 1516 V \ 22 0uL168 U HC 140. 1u12 V 圖 319 9V供電電路 第一組電源通過三端穩(wěn)壓器 7805 穩(wěn)壓后給單片機和其它電路供電，另外一組電源經(jīng) 7809 穩(wěn)壓后給電機驅動芯片 L298N 供電，考慮到模塊間的相互干擾問題，兩個電源之間還添加了隔離措施，這樣有效的解決了驅動電路會對單片機最小系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 電源模塊的設計 智能小車的供電設施是一塊充電電池，它有 低成本 ， 循環(huán)壽命長 ， 無污染 ，安全性能好 ， 溫度使用范圍廣 等特點。但光電開 關直接輸出的信號并不理想，為了使光電開關的輸出信號數(shù)字化，提高抗噪聲能力，應用施密特觸發(fā)器。如果接收端使用的是 PNP型光敏三極管，則采用電路 C。因此，可以從高阻值的電阻開始選用 (約 1 kΩ )，當發(fā)生誤差信號問題時，只需將電阻值下調。與反射式光電開關不同的是，在這里 LED 管的亮度不需要很高。 圖 317 經(jīng)施密特觸發(fā)器的光電開關外圍電路 基于 80C51 單片機的智能小車設計 23 電路 A為傳感器的發(fā)射端提供了限流電阻 R1。 LED(發(fā)射端 )的出射光照射到一小段距離之外的光敏三極管 (接收端 )上，傳感器的狀態(tài)隨出射光是否被遮擋而改變。光柵編碼器由光柵盤和光柵式光電開關組成。 基于 80C51 單片機的智能小車設計 22 圖 316 超聲波檢測電路 速度檢測模塊 采用光電編碼器對驅動輪后輪的轉速進行了實時檢測，將反饋信號輸入核心控制單元，并進 行處理，從而對直流電機的轉速、加減速進行準確快速的調節(jié)。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號的時間間隔可以計算得到距離。一旦檢測到有回波信號則輸出回響基于 80C51 單片機的智能小車設計 21 信號。 如此不斷的 循環(huán) 測 量 ,就可以達到移動測量 的 目的了。在程序中先用指令產(chǎn)生 一個 持續(xù)時間 20us 的 低 電平 脈沖 ,就可以在接收口Echo 等待高電平輸出 。 超聲波測距模塊與單片機相連的接線方法 把單片機的 P2 口的第四位定義為 Trig 位，單片機的 P3 口的第二位定義為Echo 位，然后單片機的引腳就可以直接用杜邦線接在超聲波傳感器的相應引腳上。但是此模塊應先插好在電路板上再通電，避免產(chǎn)生高電平的誤動作，如果產(chǎn)生了，重新通 電方可解決。 主要技術參數(shù) 如表 32所示 表 32 HC— SR04 超聲波測距模塊 參數(shù) 實物圖 如圖 313 所示， 板上 各引腳 的含義： VCC供 5v 電源 、 Trig 觸發(fā)控制信號輸入 、 Echo 回響信號輸出 、 out（空腳）、 GND 為地線。能和國外的 SRF05,SRF02 等超聲波測距模塊相媲美。 圖 312 電機 反 轉 示意圖 HC— SR04 超聲波測距模塊 模塊特點 HC— SR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。每個 H 橋電路原理大體如圖 310所示： 圖 310 H橋電路圖 表 31輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系 IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運行情況 1 0 正轉 0 1 反轉 1 1 剎車 0 0 停止 若 H 橋的 1端為低電平， 2端為高電平時，三極管 Q4導通， Q1 截止，此時Q3 的基極為低電平， Q2 的基極為高電平，因此三極管 Q2 和 Q6 導通， Q3 和 Q5截止，電流流向如圖 311所示，電機正轉。操作非常方便，能滿足直流減速電機的大電流 要求。由于需要驅動電路在接收到單片機發(fā)出的控制信號時就能立即做出動作因此使能端既 ENA、 ENB 引腳直接 +5v，即讓電機直使能。 . 圖 39 L298N 原理圖 圖 直流電機由驅動芯片 L298N 提供驅動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉。 可實現(xiàn)電機正反轉及調速、啟動性能好 、 啟動轉矩大 、 可同時驅動兩臺直流電機 。 VCC 引腳可以接 +12V 電源用來給芯片和電動機供電。 L298N 芯片有一個電源引腳 VCC 和接地引腳 GND。 L298N 是歐洲著名的SGS 公司的產(chǎn)品 ，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅動。 L298N 雙 H 橋直流電機驅動芯片 簡介 電機驅動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過電機控制芯片轉化為小車實際的動作。 利用單片機 單片機 自帶的 PWM 控制器。 利用定時器。 當用單片機 I/O 口輸出 PWM信號時，可采用以下三種方法： 利用軟件延時。嚴格地講，平均速度與占空比 D并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可將其近似地看成線性關系。而且采用 PWM 技術構成的無級調速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng)基于 80C51 單片機的智能小車設計 15 無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中 PWM(脈寬調制 )便是常用 的改變電樞電壓的一種調速方法。 直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。 ● 與步進電機相比，小體積較易獲得大功率。轉矩一定時，轉速則隨電壓的變化而線性調節(jié)。 ● 線性的機械特性和調節(jié)特性。直流電機能夠將輸入的電壓信號變成轉軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機轉速和轉向，用途很廣泛，主要有如下優(yōu)點 ： ● 寬廣的調速范圍。 常用的控制電機有步進電機和直流電機兩大類。 ● 正轉 反轉的特性相同，且運行特性穩(wěn)定。從廣義上而言，直流電機特性的線性度基于 80C51 單片機的智能小車設計 14 和失靈區(qū)會直接影響到系統(tǒng)的精度。 ● 高精度。智能小車控制系統(tǒng)中對控制電機要求其體積小、重量輕、耗電少，另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應等特點，主要集中在以下幾個方面 ● 高可靠性。 LED 數(shù)碼管與單片機連接電路如圖 3－ 7所示。 CPU 送來的數(shù)據(jù)信號直接送入數(shù)碼管的段號碼，進行數(shù)字顯示， 本次設計中采用了開發(fā)板自帶的 ULN2020 作為數(shù)碼管的位選控制芯片，要控制右邊的數(shù)碼管中 的哪 個點亮只需要在 ULN2020 的 左邊的 A A A A4 端送入相應的控制信號就可以點亮其中一位 。動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。 圖 3－ 2 數(shù)碼管原理圖 圖 3－ 6 數(shù)碼管作為顯示部分 本電路采用四位一體共陰極數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描方式來完成顯示功能。我們分別把他命名為 a、 b、 c、 d、 e、f、 g、 dp。只要保證 RESET 為高電平的時間大于兩個機器周期，便能正常復位。圖中 C為上電復位電容，它是利用電容充放電來實現(xiàn)的。圖中 S R2 構成按鍵復位電路。其中電平復位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的。 除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。 80C51 的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。單片機復位的條件是：必須使 RST/Vpd 或 RST 引腳 (9)加上持續(xù)兩個機器周期 (即 24個振蕩周期 )的高電平。 圖 3－ 4是單片機時鐘振蕩電路圖： 圖 3－ 4 單片機時鐘振蕩電路 單片機復位電路 單片機復位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復位后 PC＝ 0000H，使單片機從第 — 個單元取指令。在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠 近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響， CX CX2可在 20pF 到 100pF 之間取值，但在 60pF 到 70pF 時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。本設計采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。內部時鐘方式和外部時鐘方式。 單片機 雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。 如圖 32 是本次設計用到的單片機開發(fā)板實物圖 。 1位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。 由上可見， STC89C52 單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。 ● 特殊功能寄存器 共有 21個，用于對片內的個功能 的部件進行管理、控制、監(jiān)視。 ● 串行口 1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。 ● 中斷系統(tǒng) 具有 5個中斷源， 2級中斷優(yōu)先權。 ● 數(shù)據(jù)存儲器 片內為 128 個字節(jié)，片外最多可外擴至 64k 字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖 、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行 I/O 口、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。利用 STC89C52 的 I/O 端口對傳感器信號進行實時 判斷 監(jiān)控 來 控制 步進電機做出相應的反映 。 STC89C52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8位單片機，片內含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 10000 次 以上 的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結構，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型 計算機的STC89C52 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 ● 用開發(fā)板自帶的數(shù)碼管顯示時間、里程、以及到障礙物的距離。 ● 使用電機專用驅動芯片 L298N 作為直流電機的驅動芯片。 ● 直接使用 鎳鎘 電池 提供基準電源。 但是這樣供電會比較簡單， 且能夠找到基本符合要求的鎳鎘充電電池來供電， 單片 機的開發(fā)板上就有一個 7805 穩(wěn)壓芯片可以利用，這樣在實現(xiàn)起來也比較可行，因此決定采用 鎳鎘充電電池 供電。但是不如單電源方便靈活。 基于 80C51 單片機的智能小車設計 6 如果采用 雙電源供電。 考慮到本系統(tǒng) 只需要檢測 前面的 障礙物， 基本上 沒有十分復雜的環(huán)境。超聲波傳感器在避障的設計中被廣泛應用。 用超聲波傳感器進行避障。但是這種電路在戶外容易受陽光的影響。當有光線反射回來時，輸出低電平。 用漫反射式光電開關進行避障。因此決定采用 L298N 控制直流電機。且由 L298N 結合單片機可實現(xiàn)對小車速 度的精確控制。 L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片 L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。線性型驅動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉距運行時，通過電阻的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。 綜合以 分析 選 用了 比較普通的 且 更為熟悉的 STC89C52 單片機為整個系統(tǒng)的控制核心。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設計的難度， 電路設計簡單、價格低廉 。本次利用的小車如 圖 22 所示： 圖 22 本次設計用到的小車實物圖 控制 芯片 的分析 選擇 凌陽公司的 16 位單片機是 16 位控制器，具有體積小、驅動能力強、可靠性高、功耗低、結構簡單、具有語音處理、運算速度快等優(yōu)點，但我對這 種單片機并不熟悉，使用起來并不是很方便，這對于硬件電路的設計和軟件編程增加了難度。 減速電機扭矩大，轉速較慢，易于控制和調速，符合避障小車的要求。 加速減速依靠后面的電機帶動后面一組車輪完成。 此 玩具電動 小 車采用普通直流電機驅動，帶負載能力 稍差，調速方面對程序要求較高。 總體設計框圖 本系統(tǒng)基本框圖 21所示 ： 圖 21 總體設計框圖 各模塊分析選擇 小車部分分析 在 本 設計 中采用了實驗室提供的玩具 電動車 。當小車又檢測到障礙物時，說明剛才向左轉的動作行不通，此時就要求小車退后，一定時間以后再向右轉，然后再檢測障礙，如果又遇到障礙物就停車。